Z. Zellforsch. 106, 423--438 (1970)

Beziehungen verschiedenartiger Zellkomplexe des normalen und regenerierenden Nervensystems

von Lumbricus terrestris L. zum GefiiBsystem

PETER ZIMMERMANN* **

Anatomisches Institut der Universit~t GieBen, Lehrstuhl I (Direktor: Prof. Dr. A. Oksche)

Eingegangen am 21. Februar 1970

R e l a t i o n s h i p of Var ious Cell Complexes of t h e N o r m a l and R e g e n e r a t i n g N e r v o u s

S y s t e m to t h e Vascu l a r S y s t e m in Lumbricus terrestris L.

Summary. Using morphometric methods, an interrelationship was established between the capillary system and certain nerve cell-neuroglia complexes in the central nervous system of Lumbricus terrestris.

The activation of neurosecretory A-neurons is associated with an increase of the capillary surface area and release of stored glycogen from periganglionic glial fibers; the relatively low functional activity of monoamine-containing B-neurons is related to their small surface area on the capillary plexus. A distinct vascular region, supplying exclusively ependyma- like fibrous glia cells, is present at the oesophageal circumference of the supraoesophageal ganglion, adjacent to the ganglion cell layer.

Besides the quantitative differences in area-specific and function-dependent vasculariza- tion, several anatomical types of capillaries can be distinguished: capillary networks occur frequently in the ganglion cell layer, whereas capillary loops are limited to the glial fiber zone and certain glycogen-rich nerve cells. The Ll-capillary loops serving respiratory gas exchange can be distinguished from L 2- and La-capillary loops serving the uptake of neuro- secretory products.

During the first two regeneration phases (Zimmermann, 1967) various neurosecretory cell types are activated in the undamaged brain half and the glycogen depots are fully depleted. This leads at the same time to an enlargement of the capillary surface area, whereas the reactive glia cell proliferation leads to poorer capillary supply. Some of these glia cells separate from the original cell group.

The results confirm the hypothesis that functional relationships exist between the vas- cular system and specific nerve cell-neuroglia complexes.

Key-Words: Nerve Cell-Neuroglia Complexes - - Lumbricus terrestris L. - - Vasculariza- tion - - Morphometry - - Regeneration.

Zusammen/assung. Im Zentralnervensystem yon Lumbricus terrestris L. wurden mit morphometrischen Methoden Wechselbeziehungen zwischen der Kapillarisation und bestimm- ten aus Neuronen und Gliazellen bestehenden Komplexen ermittelt. Die Aktivierung neuro- sekretorischer A-Neurone geht mit einer Zunahme der Kapillaroberfl/~,che und einer Entspei- cherung der Glykogendepots in der periganglion/~ren Faserglia einher; die relative Funktions- ruhe der monoaminhaltigen B-Neurone driickt sich in ihrem geringeren Oberfl/~chenanteil am Kapillarplexus aus. Neben der Ganglienzellschicht wird ein stark vaskularisiertes Gebiet an der oesophagusnahen Zirkumferenz des Oberschlundganglions beschrieben, das ausschliel3- lich aus ependymiihnlichen Fasergliazellen besteht.

AuBer dem ortsspezifischen und funktionsabh/ingigen Vaskularisationsgrad lassen sich auch noch verschiedene Kapillarisationsformen unterscheiden: Kapillarnetze kommen vor allem in der Ganglienzellschicht vor, w~ihrend die Schlingenbildung auf die ependymale

* Herrn Prof. Dr. M. Watzka, Mainz, gewidmet. ** Mit Unterstfitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

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424 P. Zimmermann :

Fasergliazone und bestimmte einfache, glykogenreiche Ganglienzellen beschrankt ist. Kapil- larschlingen, die dem respiratorischen Gasaustausch (L1) dienen, kann man auf Grund ihrer Form und ihrer Lagebeziehungen yon L 2- und L3-Schlingen zur Aufnahme neurosekretori- scher Produkte trennen.

In den ersten beiden Regenerationsphasen (vgl. Zimmermann, 1967) werden in der unverletzten Himhalfte verschiedene neurosekretorische Zelltypen aktiviert und die Glyko- gendepots vollst~ndig abgebaut. Dies ffihrt zu einer parallel verlaufenden Vergr6Berung der Kapillaroberfl~iche, w~hrend die reaktive Zellvermehrung der ,,ependymalen" Glia eine Ver- schlechterung der Kapillarisation zur Folge hat. Ein Teil dieser Gliazellen verlaBt den ur- sprfinglichen Zellverband.

Die geschilderten Ergebnisse best~tigen die Annahme funktioneller Beziehungen zwi- schen dem Gefal3system und spezifischen Nervenzell-Glia-Komplexen.

Einleitung

Die Analyse der Zellfunktion mit biochemischen und physikalischen Methoden bedarf vielfach einer morphometrischen Untermauerung. Die Morphometrie lie- fert das Bezugssystem. Dieser Zusammenhang ist auch bei Studien fiber den Protein- und Energiemetabolismus der Nervenzell-Glia-Komplexe zu beachten (vgl. Hyd6n, 1967). Hierbei mul~ man noch die folgenden Gesichtspunkte berfick- sichtigen:

1. Sichere Zuordnung bestimmter Funktionen zu spezifischen Zellgruppen; 2. Anordnung der verschiedenen Zelltypen auf m6glichst engem Raum, da

nur diese kleinen Bereiche nahezu gleichen Bedingungen w~hrend der Gewebs- aufbereitung (Fixierung, Markierung) unterworfen sind;

3. M6glichkeit eines Vergleiches der MeBergebnisse mit dem Datenmaterial, das aus Untersuchungen an ~hnlichen Zellverbgnden bei anderen Tierformen s tammt.

])iesen Forderungen wird die Cytoarchitektonik des Oberscblundganglions yon Lumbricus terrestris gerecht. Der bilateral symmetrische Aufbau erlaubt auBerdem die vergleichende Beobaehtung von Degenerations-Regenerationspro- zessen in der L/isionszone und in dem hierzu kongruenten unversehrten Gebiet desselben nervSsen Metamers. Weiterhin begfinstigen die groBen Unterschiede in der Enzymaussta t tung der Glia- und Ganglienzellen des Regenwurms das Studium von trophisehen Wechselwirkungen. Vigh-Teiehmalm und Goslar (1968) wiesen in ihren enzymhistoehemischen Untersuchungen am Nervensystem von Eisenia [oetida deutliche metabolische Differenzen zwisehen neurosekretorisehen Ganglienzellen (A-Zellen), aminergen Neuronen (B-Zellen) und den benaehbarten Gliazellen nach. A-Zellen besitzen im Vergleich zu B-Neuronen einen geringeren respiratorisehen Stoffwechsel, wahrend die glykogenreiehen Gliazellen Metabolite des Kohlenhydratabbaus an die lebhaft oxydativ-deearboxylierenden mono- aminhaltigen Ganglienzellen liefern sollen.

Neben dem enzymhistochemisehen Studium der oxydativen Phosphorylie- rung kann die Messung der Kapillarisation als ein Parameter des Sauerstoffver- brauchs (s. Krogh, 1919) eine Auskunft fiber die Stoffwechselaktivitat und den Funktionsgrad bestimmter Hirnareale liefern. Sehon Petr6n (1938) konnte zei- gen, dab die Kapillarzahl der motorisehen Hirnregion nach Muskeltraining signi- fikant zunimmt. Tiere mit besonders hohen Stoffwechselraten besitzen sehr enge zentralnerv6se Kapillarnetze (Lierse, 1961). I m Laufe der Entwicklung des Verte-

Vaskularisation von Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 425

bra tengeh i rns n i m m t die Kap i l l a rwe i t e ab. ,,Mit der Differenzierung der Zell- schichten und der 6r t l ichen Zunahme der Zellzahlen sprossen die K a p i l l a r e n " (s. Lierse, 1961, 1963). E ine Verkni ipfung der Kap i l l a rd i ch t e mi t dem Sauer- s to f fverbrauch ist nur d a n n er laubt , wenn die Kap i l l a r en al lsei t ig an nerv6se S t ruk tu r en grenzen; bei Schl ingenbi ldung (sog. , , looping") gi l t diese Bedingung nicht . Die aus t auschak t ive Kapi l la rober f l~che muff u m den Be t rag der in ter - kap i l lg ren Kon tak t f l~che ver r inger t werden (Lierse, 1964). Zent ra lnerv6se Kap i l - larschl ingen k o m m e n be im Opossum, bei Amph ib i en und I n v e r t e b r a t e n (Lum-

bricu8 terrestris) vor (E. Scharrer , 1944). Die Befunde von E. Scharrer (1944) lassen fiir die Frages te l lung in te ressante angioarchi tek tonische Eigent i iml ichkei - t en der Regenwurmgang l i en ve rmuten .

Material und Methoden Die morphometrischen Studien wurden an drei Kollektiven yon je 5 Tieren (Lumbricus

terrestris L.) durchgefiihrt. Die im Mai gefangenen Regenwfirmer wurden auf feuehtem Zell- stoff, im Dunkeln und bei konstanter Temperatur (15 ~ C) gehalten.

1. Bestimmung der Kapillarisation. Eine techniseh einwandfreie GefgBdarstellung erzielt man mit der Orange G-Methode (s. Zimmermann, 1967) an 7 tzm dieken Schnittserien nach Gefriertrocknung und anschliel~ender Paraffineinbettung. Der Kapillarisationsgrad l~Bt sich nach zwei Methoden (a, b) bestimmen:

a) Das Stichprobenmikroskop yon Weibel (Wild) mit seinem ,,multipurpose test screen" lieferte das Zahlenmaterial ffir die folgenden Berechnungen:

Das Verh~ltnis von Kapillaroberfl~che zum Zellvolumen (So~ V) wurde nach der Formel (1) ermittelt (Weibel u.a. , 1966).

Si _ 4Nz~ Z:10~zm. {1) v~ z.P,~

Die Bestimmung des kapillEren Oberfl~chenanteils wurde nach der Formel (2) durchgefiihrt (Sitte, 1967).

S c : / 1 . a . C " H (~zm) 2 (2) a~10 tzm, /1:1,57, H ~ 7 [zm.

Diese Formel wurde gewghlt, weft das Obersehlundganglion von Lumbricus terrestris zu den begrenzten ausgerichteten Objekten mit zwei Vorzugsrichtungen gehSrt. Die Ursprungskegel der Axone sind iiberwiegend senkrecht auf das Neuropil ausgerichtet. Der OberflEchenanteil der Kapillaren wurde auf die Standardoberfl~che von 3640 ~m 2 bezogen. Der relative Fehler betr~gt naeh Hennig (1958) 4,5% und liegt damit im Normbereich.

b) Auf Grund der Verzweigungsformen des Kapillarplexus, die aus lfiekenlosen Zeiehen- apparatskizzen in dreidimensionaler Rekonstruktion (Vergr. 500fach) identifiziert wurden, kann man das Obersehlundganglion aueh in Vaskularisationseinheiten unterteilen. Diese leiten sich vom Kroghschen Gewebszylinder ab und kennzeiehnen ein Hirnareal, das weit- gehend von Kapillaren umschlossen wird. Eine solche Vereinfachung 1EBt sieh nur dann durehfiihren, wenn die Kapillarverzweigungen in der gewiihlten Schnittebene liegen. Die Gr6Be der kapillarumschlossenen Himbezirke wurde dureh Vergleich mit Kreisfliiehen (vgl. Fischmeister, 1961) festgelegt. Der prozentuale Anteil der versehiedenen Vaskularisations- einheiten wurde auf die ausgewertete Gesamtfl~che der Ganglienzellschicht des Oberschlund- ganglions bezogen.

2. Glykogen-Nachweis. Friseh pr~parierte Regenwurm-Ganglien wurden im eisgekfihlten Gemisch von Rossman fixiert, in Paraplast eingebettet und in 7 ~tm dicke Sehnittserien zerlegt. Glykogen-Nachweis mit der Bleitetraacetat-Sehiff-Methode naeh Shimizu und Kuma- moto (Diastase-Kontrolle).

3. Regenerationsstudien. Operationstechnik s. Zimmermann (1967) Die Schnittserien wur- den wie unter 1. und 2. behandelt. Das ausgewertete Material stammt von Regenwiirmern, deren Nervensystem sich im ~bergang von der 1. zur 2. Regenerationsphase befand. Zei- ehen der Zellaktivierung und Kapillarver~nderungen sind in diesem Stadium am deutliehsten.

426 P. Zimmermann:

Abb. 1. Areal III an der oesophagusnahen Zirkumferenz des Oberschlundgangiions yon Lumbricus terrestris. Bouin. Orange G-Fluoreszenz (Zimmermann, 1967). Vergr. 450fach. Fluoreszierende tanyzyten/~hnliche Faserglia zwischen Neurilemm (Nl) und Neuropil (N).

Orange G-markiertes Erythrocruorin fluoresziert in den L1-Schlingen des Kapillarplexus

Befunde

Der Typ der Kapillarverzweigung und die Kapillarisationsdichte sind ffir die Beurteilung der Respirationsst/~rke der einzelnen Hirnregionen aussehlaggebend. Aus diesem Grunde sollen zun/~ehst die verschiedenen Vaskularisationsformen im Obersehlundganghon yon Lumbricus terrestris besehrieben werden. Abb. 1 zeigt die schon yon E. Seharrer (1944) beobachteten ,,hairpin-like loops". Die bei- den Gef/~6sehenkel durchdringen getrennt das Neurflemm und bilden eine Schleffe (Typ L1). Diese Form des Gef/~13verlaufes beobachtet man im Oberschlundgang- lion vor allem im schlundnahen Bereich der hinteren Zirkumferenz. Auf der gegeniiberliegenden Seite finder sich hingegen ein gut ausgebildetes Kapillarnetz (Abb. 2a), das mit dem medialen zirkulgren Hauptgef/~$ verbunden ist. Die Masehenweite dieses Netzes nimmt zum Neuropil hin ab (s. Schema I, Abb. 3). Dieser Besonderheit wird dureh die Unterteilung der Ganglienzellschicht in Kapillarzone I (ZI, an das Neurilemm grenzend) und Kapillarzone I I (Zxt, an das Neuropil grenzend) Reehnung getragen (s. Kurve Abb. 4). Eine solche Dif- ferenzierung ist berechtigt, da in Vorversuchen gezeigt werden konnte, dab in die CoelomhShle injiziertes Akridinorange (50 mg/ml) zonenfSrmig bis in das Neuropil eindringt. Ffir die zellul/~ren Elemente, die in der Niihe des Neurilemm- schlauchs liegen, gelten deshalb im Metabolitenaustausch mit der Coelomflfissig- keit andere Bedingungen als ffir die zentral gelegenen Zellen.

Aus dem soeben beschriebenen Kapillarbett zweigen zwei verschiedene Schlin- genformen ab, die sich in ihrer L/~nge und ihren Lagebeziehungen zu zentral- nervSsen Strukturen unterscheiden. Typ Le ist von der Aufzweigung bis zum

Vaskularisation yon Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 427

Abb. 2a--c . Areal I des Oberschlundganglions von Lumbricu8 terrestris. Bouin. Chromalaun- h~matoxylin-Phloxin. Vergr. 450fach. a Kapillarnetz. C Durchtritt einer Kapillare durch das Neurilemm (Nl). b und c L2-Kapillarschlingen, die die gew5hnlichen Ganglienzellen

umgreifen und ihre Axone in das Neuropil (N) begleiten

P. Zimmermann: 428

Abb. 3 (Schema I). Ausschnitt der Ganglienzellschicht des Oberschlundganglions yon Lum- bricus terrestris. (Z1) weitmaschige und (ZII) engmaschige KapiUarnetz-Zone mit L2-Schlinge ]

um Axonansammlungen und La-Schlinge im Neurosekretdepot (D)

Scheitelbogen durehsehnittlich 70 ~m lang, w~hrend Typ L 3 nnr eine L~nge von etwa 30 ~m aufweist. Die erstgenannte Schlingenform begleitet bestimmte, wei- ter unten genauer besehriebene Axonformationen (Abb. 2 b, e), die La-Schlingen bilden meist zwei flachc, auseinandergezogene Doppelbogen und liegen mit ihren Seheiteln im Neurosekretdepot (Abb. 5).

Da die Bestimmung der Kapillarisationsdiehte ffir begrenzte und gerichtete Objekte mit minimalem Volumen (etwa 1/10 mm s) sehwierig ist, wurden zwei versehiedene Teehniken angewandt (s. S. 425). Mit dem Punktz~hlverfahren wurde die austauschaktive Oberfl~ehe des Kapillarbettes pro Einheitsfl~che (3640 ~m ~) in drei versehiedenen Arealen des Obersehlundganglions ermittelt, in denen bestimmte Zelltypen besonders h/~ufig vorkommen (s. Schema II, Abb. 6). Areal I (At) reicht yon dem zirkul~ren Mediangef~fl bis zu einem parallel ver- laufenden lateralen Gef~B am ~bergang in die zirkumoesophageale Kommissur. Dieses Gebiet enth~lt vor allem neurosekretorische A-Neurone. Areal I I (AII) umfaBt die Zellansammlungen am Abgang der Schlundkonnektive. Hier fiber- wiegen die monoaminhaltigen B-Zellen (s. Teiehmann nnd Aros, 1966; Rude, 1966; Myhrberg, 1967). Die Angaben dieser Autoren kormten in eigenen fluores- zenzmikroskopischen Studien, z.T. an Totalprdparaten, best~tigt werden. Areal I I I (AHI) umsehliel3t ein kleines Gebiet des Obersehlundganglions, das dorsomedian dem Oesophagus anliegt. Die gestreckte ependym~hnliche Faserglia ( Ty p I a , s. Zimmermann, 1967) breitet sich dort in dichten Formationen zwischen der Basalmembran und dem Nenropfl aus, w~hrend Nervenzellen fehlen.

Die Oberfl~chenanteile des Kapillarsystems in den einzelnen Gebie~en k5n- hen nun miteinander vergliehen werden (Abb. 7). AuBerdem wurden die Volu- menantefle der A- und B-Zellen sowie der gliSsen Elemente errechnet nnd mi~

'/o 50"

40.

30.

20"

10.

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2 5 10 25 50

Vaskularisation von Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 429

ii i ZT Zm Z I Z~ Z I ZTF Z I Zim

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z i z ] i

75 36 xF(lam) 2

Abb. 4. Prozentualer Anteil (%) der Vaskularisationseinheiten (F in t~m 2) an der ausgewer- teten Gesamtfl~che des Oberschlundganglions yon Lumbricus terrestris. (ZI) weitmaschige und (Z II) engmaschige Kapillarnetz-Zone. Feines Punktraster-Areal AI: Die meisten Vas- kularisationseinheiten liegen in ZII (F: 25 X 36 ~m2). Mittelfeines Punktraster.Areal All I: Es besitzt die gfinstigste Kapillardichte, da das Verteilungsmaximum der Vaskularisationsein- heiten bei einer F1/ichengr6fle yon 10X36 ~m 2 liegt. Grobes Punktraster-Areal AII: Im neurilemmnahen Bereich (ZI) beobachtet man die durchschnittlich 50• ftm 2 grollen

Vaskularisationseinheiten

der en tsprechenden Kapil laroberfl /~che korre l ier t (Abb. 8 und 9). Hie raus folgt, dab die Kap i l l a r i sa t ionsd ich te im Areal I grSl3er is t als im Areal I I . Es fiber- rascht , dab Areal I I I , das ausschlie$l ich , , ependymale" Faserg l ia en~h/~lt, ebenso s t a rk kapi l la r i s ie r t erscheint wie die Zone mi t den neurosekre tor isehen A-Neu- ronen. Ber i icks icht ig t m a n das Verh/~ltnis yon Kapillaroberfl/~che zu Zel lvolumen (So~ V), so entf/~llt auf die Fasergl iazel len der grSBte Antef l an aus t auschak t ive r Kapillaroberfl/~ehe. Hinzu k o m m t , dal~ im Areal I I I die L1-Schlingen a m h/~ufig- s ten beobach te t werden; Lierse (1964) o rdne t solehen Sehlingen einen Sauerstoff-

430 P. Zimmermann:

Abb. 5. Areal I des Oberschlundganglions von Lumbricus terrestris mit L3-Kapillarschlinge (L3) im Neurosekretdepot (D). Bouin. Paraldehydfuchsin-Orange G. Vergr. 600fach

A I

\ \ ~ t /

:" / 1 AII AII

\ I Abb. 6 (Schema lI). Arealeinteilung des Oberschlundganglions von Lumbricus terrestris. AI-Gebiet mit iiberwiegend neurosekretorischen Elementen in der Ganglienzellschicht. All- Zone der monoaminhaltigen Neurone. AHi-ependym~hnliche Fasergliazellformationen in der

schlundnahen Zirkumferenz. Punktraster zeigt Glykogenverteilung an

konzentrat ionseffekt nach dem Gegenstromprinzip zu. Diese Region dfirfte dem- nach einen besonders hohen O2-Verbrauch haben. Areal I I ist hingegen am schw~chsten vaskularisiert; der Sol V-Quotient liegt bei 0,3. Abb. 4 zeigt aui~er- dem, dab hier die Weite der KapiUarnetze am grSl~ten ist und die meisten Neu- rone in der Zone I (in der NKhe des Neurilemms) liegen. Neben den beschriebenen Kapil larnetzen t reten jeweils am l~bergang in das Areal I bzw. I I L2-Schlinffen auf (Abb. 6). Sie begleiten die Axone der hier zu Komplexen vereinigten neuro- sekretfreien (,,gew6hnlichen") Ganglienzellen. Die gebfindelten, in das Neuropil

Sc

14 ]3 J

12-

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10-

9-

8-

7-

6-

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Vaskularisation von Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 431

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Abb. 7 Abb. 8 Abb. 7. Kapillaroberfl~che (Sc in ~m 2) in den drei verschiedenen Hirnarealen von intakten (N) und operierten (OP) Regenwiirmern, bezogen auf die Standardoberfl~ehe yon 3640 ~m ~. Die Kapillaroberfl~che ist im Areal Iund Areal I I I nahezu gleiehgroB (1100 ~m2). W~hrend der Regeneration nimmt die Vaskularisation im Bereieh der aktivierten Reservezellen (AII10P) und der neurosekretorischen Ganglienzellen vom Typ II (All , OP) sowie in der

AllI.Zone z u

Abb. 8. Das Verh~ltnis yon Kapillaroberfl~tche zum Zellvolumen (Sc/V--Punktraster--linke Ordinate) ist gegen das Zellvolumen (V--helle Siiulen--reehte Ordinate) in den drei ver- sehiedenen Hirnarealen vor und nach der Operation aufgetragen. Man erkennt, dab im Gebiet der aktivierten Reservezellen (AtIlOP) und der aktivierten neurosekretorischen Ganglienzellen vom Typ I I (AI1 , OP) der Sc/V-Quotient trotz Zellzunahme konstant bleibt,

w~hrend er im Alll.Gebiet abnimmt

e ins t rah lenden Axone liegen en tweder zwischen den beiden Schl ingenschenkeln oder nehmen yon aul~en her K o n t a k t mi t diesen auf. Der A b s t a n d zwischen Ursprungskegel und Kreuzung des Axons mi t der Kapi l l a r schhnge varf ier t zwi- sehen 50 und 70 ~m. Die Besonderhei t der L1-Kapillaren, die Kontak t f l / i che zwisehen zu- und abf i ih rendem Kapi l la rsehenkel , fehlt.

I m Areal I, dem Gebie t der A-Neurone, f/~llt das gut ausgebi ldete , eng- maschige Kapillarnetz auf (S~./V: 0,45; Abb. 8). Der H a u p t a n t e i l der neuro- sekre tor isehen Ganglienzel len entf/~llt auf die ZFZone, w/~hrend die gew6hnlichen Ganghenzel len die neuropi lnahe ZirZone bevorzugen. Da diese Zone aus kleine- ren Vaskular i sa t ionse inhe i ten bes teh t (s. Abb. 4), haben die gew6hnlichen Neu- rone ein giinst igeres ~./V-Verh/~ltnis (0,16 gegeniiber 0,13 ffir die neurosekreto- r isehen Ganghenzellen, Abb. 9). Pa ramed ian , im Gebiet der vorde ren in tergang- l ion~ren K o m m i s s u r des , ,Cerebralorgans" beobach te t m a n die schon im Areal I I beschr iebenen L2-Schlingen in der N/ihe der Axone gew6hnlicher Ganglienzel len

432

SC/v

0.8

02.

0.6.

0.5-

0.4.

0.3-

0.2.

03-

0

P. Zimmermann:

AIN G OP OP OP OP OP OP

r I

A~ AmG oP

Abb. 9. Das Verhalten des Sc/V-Quotienten der neurosekretorischen (NG) und gew6hnlichen (BG) Ganglienzellen sowie der gli6sen Elemente (G) im Normaltier (N) und operierten Regen- wurm (OP). Die starke Vaskularisation des ArealsllI driiekt sich deutlieh in dem Sc/V- Quotienten yon 0,8 aus. W~hrend der Regeneration versehiebt sich der Sc/V-Quotient trobz

starker Zellzunahme im Bereich der aktivierten Neurone vom Typ II zu gfinstigeren Werten (0.2)

(s. Abb. 2 b, c). Daneben dringen die flachen L3-Schlingen in die Depotzone des Neurosekrets vor (Abb. 5).

AuBer dem erl~uterten, regional unterschiedlichen Vaskularisationsgrad des Oberschlundganglions dfirfte die Analyse der Glykogenverteilung im Hinblick auf den energetisch-metabolischen Status der drei Gef~Bareale aufschluBreich sein. Zur Ausschaltung unkontrollierter Umwelteinflfisse wurde das Tierkollektiv unter Standardbedingungen gehalten. Mit der Bleitetraacetat-Schiff-Methode (Shimizu und Kumamoto) lieB sich Glykogen sowohl in der Glia als auch in bestimmten Neuronenkomplexen darstellen. I m ~bersichtsschema (Abb. 6) erkennt man, dab das in der Glia lokalisierte Glykogen im Areal I vor allem paramedian vor- kommt, w~hrend es sieh in den Faserkorbformationen um die neurosekretorischen Ganglienzellen nur in sehr geringen Mengen nachweisen 1/iBt. AuBerdem f/~llt auf, dab die Gliazellen der oesophagusnahen Zirkumferenz des Oberschlundgang- lions stark mit Glykogen beladen sind (Abb. 10a). Dies gilt sowohl fiir die ,,epen- dymale" Glia des Areals I I I als aueh ffir die periganglion/~ren Gliazellen des Areals II . Die oesophagusferne Flache des letztgenannten Hirnabsehnittes besitzt hfilgegen nur glykogenarme Glia. Abb. 6 zeigt weiterhin die symmetrische Ver- teilung glykogenreieher niehtsezernierender Neurone. Diese liegen aussehlieBlieh in der neuropflnahen ZrFZone und entsprechen den oben geschilderten gew6hn- lichen Ganglienzellen, deren Axone yon L2-Kapillarschlingen begleitet werden.

Vaskularisation von Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 433

Abb. 10a u. b. Glykogenverteilung im Oberschlundganglion von Lumbricus terrestris. Ross- man. Bleitetraacetat-Schiff-Reaktion (Shimizu und Kumamoto). a AusschnittvergrSflerung der Areale I I und I I I an der oesophagusnahen Zirkumferenz. Vergr. 450fach. N+-Neuropil- bereich der interganglion~ren Kommissur. 1 Glykogenarme periganglion~re Fasergliaforma- tionen im Bereich der monoaminhaltigen Ganglienzellen. 2 Intraneuronales Glykogen in den yon Lz-Schlingen umgebenen einfachen Neuronen. 3 Glykogenreiche tanyzyten~hnliche Fasergliazellen. b AusschnittvergrSl3erung des Areals I. Vergr. 450fach. 1 Glykogenarme periganglion~re Fasergliazellen im Bereich der neurosekretorischen Ganglienzellen. 2 wie unter a. 3 Glykogenreiche Gliazellen in der N/ihe des medianen zirkul~ren Hauptgefis

434 P. Zimmermann:

Das granul~re Glykogen nimmt im Perikaryon ein Gebiet ein, das von einer perinukle~ren Zone bis zum Ursprungskegel des Axons reicht. Die benaehbarten gliSsen Elemente sind iiberwiegend glykogenfrei.

Diese vorerst nur auf morphologiseher Basis ermittelten Untersehiede in der Glykogenverteilung sollen in weiteren eytophotometrisehen Untersuchungen quantitativ belegt werden. Man kann aber sehon jetzt sagen, dab in den oeso- phagusnahen Arealen A~rl und AxH sowie in dem paramedianen Anteil des Areals At, in der Nachbarschaft des medianen Hauptgef~]es, glykogenreiche Glia vorkommt. Diese Gliaelemente bevorzugen im Areal I u n d I I die neuri- lemmnahe Zone I, w/~hrend sie in dem am st/~rksten vaskularisierten Gebiet A iu diffus zwischen Neuropfl und Neurflemm verteflt sind. Die glykogenreichen, symmetrisch angeordneten Nervenzellkomplexe gehSren zum vaskul~ren Ver- sorgungsgebiet der L~-Schlingen. Hieraus folgt, dal] Glykogendepots vor allem in Gebieten mit starker Vaskularisation vorkommen.

Die Zusammenh~nge zwischen dem Aktivierungsgrad bestimmter Zellkom- plexe und der Kapillarisation bzw. dem Glykogengehalt lassen sieh besonders deutlieh naeh operativer Ausschaltung der einen Hemisphare des Oberschlund- ganglions zeigen. Die entspreehenden Ver/~nderungen in der unverletzten H~lfte des ,,Cerebralorgans" und in den Regenerationszonen sind am eindrucksvollsten w~hrend des t3bergangs v o n d e r 1. zur 2. Regenerationsphase {s. Zimmermann, 1967) zu erkennen. In der intakten Hemisphere erscheinen zu diesem Zeitpunkt aktive neurosekretorische Zellen vom Typ I I und aktivierte neurosekretorische Reservezellen (s. Abb. 4b in Zimmermann, 1967). Die Regenerationszonen sind hingegen noeh in der Kapillarisationsphase (Abb. 11). Die morphometrisehe Ana- lyse der Regeneration ergab eine deutliehe Zunahme der Kapillaroberfl/~che in den Arealen I I und I I I (Abb. 8 und 9). Trotz der regenerationsbedingten Akti- vierung der neurosekretorischen Ganglienzellen vom Typ I I und dem Auftreten yon Reservezellen ~ndert sieh das Verh~ltnis von Kapillaroberfl~ehe zu Zell- volumen (SJV) so, dal~ die Voraussetzungen fiir die O~-Versorgung dieser Zell- typen giinstiger werden (s. Abb. 8 und 9). Im Areal I I I hingegen fiihrt die Zunahme der Zellzahl zu keiner Verbesserung des So~ V-Quotienten; dieser ver- sehlechtert sich vielmehr mit 0,45 um ungef~hr die H~lfte gegeniiber einem Normalwert von 0,8. Das Areal I konnte nicht ausgewertet werden, da seine Ganglienzellen Degenerationszeichen aufweisen; Korrelationen zwischen Kapillar- oberfl~che und Zellvolumen lieBen sich deshalb nieht aufstellen.

Vergleicht man noch den Glykogengehalt der einzelnen Regionen des Ober- schlundganglions, so finder man, dal~ in den Gliazellen der unverletzten Hemi- sphere ein Glykogendepot nicht mehr vorhanden ist. Die glykogenreichen Ner- venzellkomplexe an den L2-Schlingen kSnnen mit der Bleitetraacetat-Sehiff- Methode ebenfalls nicht mehr dargestellt werden. Der Aktivierungsgrad des Rest- ganglions ist somit an der Zunahme der Kapillarisationsdichte, der Entspeiche- rung der Glykogen-Depots sowie an der Aktivierung yon Reservezellen und neuro- sekretorischen Ganglienzellen vom Typ I I erkennbar.

Die Feinheiten der funktionellen Zellver/~nderungen wird man hier erst in morphometrischen Studien an elektronenmikroskopischen Aufnahmen erfassen kSnnen; solche Untersuchungen sind vorbereitet.

Vaskularisation von Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 435

Abb. 11. a Regenerat des Oberschlundganglions yon Lumbricus terrestris. 10. Tag nach Elek- trokoagulation der rechten Ganglienh~lfte. Kapillarisationsphase. Bouin. Orange G. Vergr.

100fach. ~ Grenze zwischen intakter Hemisphere und Regenerat. C Kapillarzone. b Ausschnittvergr6Berung der Kapillarzone. Vergr. 450fach

Diskussion

Wechselbeziehungen zwischen Kapfllarbett , Sauerstoffverbrauch und Funk- tionszustand sind an bestimmten Zellkomplexen des Zentralnervensystems bereits mit liehtmikroskopisehen morphometrischen Methoden zu erkennen. Ein solcher Versuch wurde unter standardisierten Bedingungen am Oberschlundganglion des Regenwurms (Lumbricus terrestris L.) unternommen. Der Modellcharakter dieser Studie wird dutch den Typenreiehtum der Neurone und der Glia sowie durch das Nebeneinander yon Kapillarnetzen und Kapillarsehlingen unterstrichen.

Die Sauerstoffversorgung der Zellen des Oberschlundganghons ~ird bei Lum- bricus terrestris dureh die folgenden wesentlichen Faktoren best immt:

436 P. Zimmermann:

1. Kapillarober/l~iche des intraepidermalen Plexus. Die intraepidermalcn Kapil- laren sind ebenfalls schlingenfSrmig angeordnet (Stephenson, 1930). Sic dienen der Sauerstoffaufnahme aus der Umgebung. Ihr Oberfl~chenanteil wird durch die TiergrS~e und vasoaktive Substanzen (Adrenalin, Acetylcholin) bestimmt.

2. Eigenscha/ten des physikalisch gelSsten, /reien H5moglobins (Erythrocruo- rin). Das tt~moglobinmolekfil yon Lumbrieus terrestris hat ein Molekulargewicht yon 2946000 und enth~lt 144 Eisenatome (Svedberg, 1933). Das Erythrocruorin ist nicht an Erythrocyten gebunden. Es gelten hier aber die gleichen physikalisch- chemischen Gesetzc wie ffir das Vertebraten-tI~moglobin; so beobachtet man z. B. auch den sog. ,,Bohr-Effekt", d.h. die Zunahme der C02-Konzentration im Gewebe erleichtert die Abgabe yon Sauerstoff (Manwcll, 1959).

3. Austauscha]ctive Kapillaroberfldche des intracerebralen Plexus. In die Kapil- ]aroberfl~che gehen Kapillarabstand, -durchmesser und -l~nge als Parameter ein. Sic ist daher zur Charakterisierung der Vaskularisation eines Hirnabschnittes besser geeignet und weniger aufwendig als die vor allem yon Craigie (1920), Horstmann (1959) und Lierse (1962) durchgeffihrtcn Einzelbestimmungen der aufgez~hlten Parameter.

Um die Beziehungen zwischen der Kapillaroberflhche und den korrespondie- renden spezifischen Zellkomplexen quantitativ auszudrficken, wurden ihre ent- sprechenden Volumenanteile berechnet. Der Quotient aus Kapillaroberfl~che/ Volumenanteil (So/V) eines bestimmten Zelltyps im Einheitsvolumen gibt Aus- kunft fiber die MSglichkeiten der Wechselwirkungen zwischen Kapillarbett und Ganglien- oder Gliazellen. Tendiert der Weft yon S./V nach l, so ni~hert er sich einem Optimum, d.h. der ,,Kapillaranteil" der entsprechenden Zellform ist besonders hoch.

Die nachgewiesene st~rkere Vaskularisation der Gebiete mit neurosekretori- schen Ganglienzellen steht im Einklang mit ihrer Aktivierung w~hrend des Friih- jahrs (Hubl, 1953; eigene Beobachtungen an Schnittserien eines lfickenlosen jahreszyklisehen Materials yon Lumbricus terrestris (Oksehe und Lieber)). Auch der geringere Kapillarisationsgrad der monoaminhaltigen Zellkomplexe ist unter den gegebenen Versuchsbedingungen aus der Art ihrer sensiblen und motorischen Funktionen verst~ndlich (Ubersicht bci Myhrberg, 1967). Da im Oberschlnnd- ganglion (vor allem rezeptive Funktionen) und im Unterschlundganglion (moto- risches Zentrum) unterschiedliche Koordinationszentren liegen (~bersicht bei Bullock and Horridge, 1965), kSnnten diese isoliert stimuliert oder blockiert wer- den; aus diesem Grunde wurden die Regenwfirmer bei konstanter Temperatur, im Dunkeln und auf feuchtem Zellstoff gehalten. Reiz~quivalente ffir Tempera- tur-, Lieht- und Chemorezeptoren wurden somit weitgehend ausgeschaltet. Dies kSnnte zu einer relativen Inaktivit~t der monoaminhaltigen Neurone des Ober- schlundganglions geffihrt haben.

Die Interpretation der starken Vaskularisation des Areals I I I bereitet Schwie- rigkeiten. Der experimentell beeinflu~bare (s. unten) Glykogenreichtum der epen- dymartigen Gliazellcn des Areals I I I spricht ffir periodisch ablaufende, energie- verbrauchende Leistungen. Regenerationsversuche zeigen, dab die Faserglia- zellen des Areals I I I in das Wundgebiet auswandern kSnnen (s. Zimmermann, 1967). Dort bfiI~en sic ihr Glykogendepot ein und bilden gemeinsam mit den

Vaskularisation yon Nervenzell-Glia-Komplexen bei Lumbricus terrestris L. 437

Gliazellen des Typs I I (Zimmermann, 1967) einen faserhaltigen Randwall gegen das Eindringen von Coelomocyten in die intakte Ganglionh/~lfte.

AuBer der unterschiedlichen Vaskularisationsdichte des Oberschlundganghons fielen mehrere Typen yon Kapillarschlingen mit verschiedenartigen Beziehungen zu zentralnervSsen Strukturen auf. Das von E. Scharrer (1944) beschriebene Kapillarisationsprinzip des Nervensystems von Lumbricus terre.stris kann jetzt weiter ausgebaut werden. Die von E. Scharrer dargestellten ,,hairpin like-loops" repr/~sentieren nur eine Art der Schlingenbildung; sie entsprechen in ihrer Form und mit ihrer interkapill/iren Kontaktfl/iche den yon Lierse (1964) charakteri- sierten ,,loopings", die nach dem Gegenstromprinzip zur 02-Konzentration f/ihig sein sollen. Sie werden deshalb als Gef/il3e ffir den respiratorischen Gasaustausch (Ll-Kapillaren) angesehen. Die L 2- und L3-Schlingen hingegen scheinen vorwie- gend dem Abtransport von Neurohormonen und anderen neurogenen Wirkstoffen zu dienen. Sie/ihneln den Kapillarschlingen des Hypophysenstiels (Spezialkapil- laren), denen die interkapill/~re Kontaktfl/~che, die nach Lierse (1964) ffir den Mechanismus der Sauerstoffkonzentration notwendig ist, fehlt. Herlant-Meewis (1956--1957) und Takeuchi (1965, 1968) wiesen Kontakte zwischen neurosekret- haltigen Axonen und Kapillaren im Neuropil des Oberschlundganglions von Eisenia ]oetida und Pheretima communissima nach, fiihrten aber keine weitere Differenzierung des Gef/il3systems durch. Das konstante Vorkommen der L 3- Schlingen im Neurosekretdepot yon Lumbricus terrestris entspricht den Vorstel- lungen dieser Autoren, wogegen die [2-Kapillaren noch schwer einzuordnen sind. Das spezifische Produkt der von den letzteren versorgten Nervenzellen ist nicht bekannt. MSglicherweise dienen die L2-Kapillaren sowohl dem 02-Transport als auch dem Abtransport von neurohumoralen Wirkstoffen.

Elektronenmikroskopische Untersuchungen werden bei der Erforschung der interessanten Zusammenhi~nge zwischen Kapillarform und Funktion eine wich- tige Rolle spielen. Aul3erdem muB die quantitative Aufzeichnung der zyklischen Abl/iufe in den anliegenden Zellen methodisch ausgebaut werden.

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Dr. Peter Zimmermann Anatomisehes Institut der Universit~t, Lehrstuhl I D-6300 Giel]en, Friedriehstr. 24